Biological Applications of Cyclometalated Ir(III) Complexes by Controlling Excited-State Electron and Energy Transfer

Abstract

본 연구에서는 시분해 영상에 적합한 이리듐 고리 금속 착체를 기반으로 배위자 또는 형광체를 도입하여 여기 상태에서의 전자 전달 또는 에너지 전달을 조절하였으며, 특성 연구를 통해 인광 거동에 관한 메커니즘의 이해를 높이고자 하였다. 세부적인 연구 내용 및 결과는 다음과 같다. 1장에서는 이리듐 고리 금속 착체를 이용하여 인광 아연센서로써 활용하고자 하였고, 나아가 인광 센싱에 관여하는 광유발 전자 전달 메카니즘의 조절인자를 밝히는 연구를 하였다. 우선 합성적으로 고리 금속 배위자의 전자밀도를 다양하게 변화시켜 들뜬 상태의 환원전위를 조절하였다. 광유발 전자 전달의 발생 여부에 대해 알아보기 위해, Rehm-Weller 방정식을 통해 자유깁스 에너지를 구하였으며 이것을 실제 인광 거동과 비교한 결과 경향이 일치하는 것을 확인할 수 있었고, 나아가 광유발 전자 전달에 중요한 조절 인자도 규명할 수 있었다. 또한 광유발 전자 전달 과정에 있어서 Coulombic barrier의 영향은 무시할만 하다는 것을 증명할 수 있었다. 최종적으로는 ZIrdCF3를 HeLa 세포에 주입하여, 세포 내에서 아연 이온을 효과적으로 검출 할 수 있음을 멀티포톤 공초점 레이저 주사 현미경과 시분해 형광 공초점 현미경 측정을 통해 확인하였다. 2장에서는 로다민 형광체와 인광체인 이리듐 고리 금속 착체가 서로 연결된 이분자 (Irbtp-RhB)를 합성하여, 이분자의 에너지 전달 특성을 이용해 세포염색과 광역동 치료로써 활용하고자 하였다. 여기 파장을 바꿔가며 광발광 파장을 스캔하는 실험을 통해, 여기 파장에 따라 광발광 파장의 영역이 두 가지 (이리듐 고리 금속 착체로부터 나오는 인광 또는 로다민에서 나오는 형광)로 구분됨을 확인할 수 있었다. 또한 시간 관련 단광자 계산 실험과 양자수율 계산을 통해서 이리듐 고리 금속 착체로부터 로다민 쪽으로 삼중항-삼중항 에너지 전달이 일어남을 확인하였고, 이 때 생성되는 로다민 쪽의 삼중항 상태를 이용하여 일중항 산소를 감광화 시킬 수 있음을 일중항 산소 생성수율 계산을 통해 추가적으로 확인할 수 있었다. 최종적으로는 HeLa 세포 내에 Irbtp-RhB를 주입하면 리소좀에 대해 기관 선택적인 염색을 한다는 것을 증명하였다. 또한 Irbtp-RhB가 주입된 HeLa 세포에 2광자 흡수 레이저를 이용하여 빛을 쪼여주면, 일중항 산소의 생성으로 인한 세포의 변형이 관찰됨을 확인할 수 있었고 이를 통해 광역동 치료 물질로써의 응용가능성을 시사하였다. ;Phosphorescent sensors are appealing alternative to fluorescence probes because they permit elimination of hazardous autofluorescence through time-gated detection of the long-lived phosphorescence signals. Despite of this advantage, utility of the phosphorescent sensors has been limited primarily due to lack of understanding photophysical mechanisms underlying phosphorescence responses. We have developed a series of phosphorescent zinc sensors based on the heteroleptic Ir(III) complex comprising 1,10-phenanthroline that tethers a di(2-picolyl)amine (DPA) zinc receptor and two anionic cyclometalating ligands. The sensors exhibited varying extents of phosphorescence turn-on responses to zinc ions. To investigate molecular factors governing the responses, we performed variable-temperature steady-state and transient photoluminescent spectroscopy studies, electrochemical measurements, and quantum chemical calculations based on time-dependent density functional theory. The studies demonstrated that photoinduced electron transfer (PeT) from DPA to IrⅣ species was the dominant mechanism of the phosphorescence responses. The phosphorescence modulation by PeT strictly obeyed the Rehm−Weller principle, and the process occurred in the Marcus-normal region. We additionally found that the Coulombic barrier, which was located on either the cyclometalating ligand or the diimine ligand, negligibly influenced the PeT process. To demonstrate biological utility, we visualized exogenously supplied zinc ions in HeLa cells treated with the sensors using confocal laser-scanning microscopy and photoluminescence lifetime-imaging microscopy techniques. Bioimaging based on phosphorescence molecules are highly advantageous due to its longer photoluminescence lifetime than typical fluorophore. With time-gated emission detection techniques, autofluorescence or scattered light can be discriminated from long lifetime emitters and eliminated effectively resulting in improved signal to noise ratio.1-6 Among the various transition metal complexes, cyclometalated Ir(III) complexes are the most attractive for bioimaging because of its following characteristic features. Cyclometalated Ir(III) complexes have highly efficient phosphorescence quantum yield in room temperature. And tuning of phosphorescence emission range is easy to perform through the facile ligand control. And also, they exhibited large stokes shifts that avoid excitation beam and good photochemical stability. Because of its versatile advantages, many phosphorescent Ir(III) complexes have been developed for cellular stainging and sensing of biologically important analytes.7-16,17-34 However, there are few reports regarding molecular dyad containing Ir(III) complexes and energy transfer-related mechanism study between phosphore and fluorophore. Herein, we synthesized molecular dayd Irbtp-RhB, consisting of cyclometalated Ir(III) complex and typical fluorophore rhodamine B. To figure out the photophysical property, we performed transient photoluminescent spectroscopy and TCSPC measurements. Furthermore, to demonstrate Irbtp-RhB as 1O2 photosensitizer through the TTET (triplet-triplet energy transfer) induced T1 state, we measured 1O2 generation quantum yield and compared with the rhodamine B. Finally, we successfully monitored dual-functional molecular dyad; bioimaging and photodynamic therapeutic ability using confocal laser scanning microscopy and photoluminescence lifetime imaging microscopy techniques.